[책 리뷰 61편] 진짜 하루만에 다 이해하는 반도체 산업
61번째 책을 다 읽었습니다.
개인적인 점수는 10점 만점에 9점
오랜만에 전공 공부하는 느낌을 받았습니다. 하지만 딱딱한 전공책이 아니라서 전공책보다 200배는 쉽고 이해가 잘 되었다는 점~
대학교 강의 시간에도 들었었던 내용들이었고 현업에서도 종종 마주치는 개념들이 등장해서 반가운 느낌이 많이 들었습니다.
이 책을 구입한 이유는 이 쪽 현업에 종사하고 있는데 내 자신이 이 산업에 너무 관심이 없는 것 같아서... 입니다.
이번에 전근을 가게 되면서 노광 쪽에서 증착 쪽으로 가게 되었는데 증착이 뭔지... 왜 하는 건지 하나도 모르는 제 자신을 보고 조금 실망했습니다.
그래서 전근이 결정나자마자! 이 책을 확 사버렸지만은! 바빠서 읽지 못하다가 최근에야 다 읽게 되었습니다.
이 책은 단점이 없습니다.
일단은 반도체의 구성 원리부터 개념까지 친절히 설명해줍니다
그 다음 영역을 확장해서 큰 종류별로 반도체를 구분해서 설명해주고 설명 뒤에는 그 반도체 시장을 주도하고 있는 글로벌 기업들까지 소개시켜 줍니다.
주식투자까지 하고 있고, 반도체 지식이 궁금했던 저한테는 아주 반가운 책이었습니다.
또한, 반도체 치킨게임 등 산업의 신흥 강자와 몰락하는 기존 강자들의 스토리 등 반도체 산업관련 흥미진진한 에피소드까지 첨부되어 있어 재미가 있었습니다. 단순히 지식만을 전달하는 데 그치지 않고 적재적소에 스토리 텔링이 되도록 글을 배치해서 읽기 편했습니다.
반도체 쪽을 취업을 꿈꾸는 취준생이든, 현업에 종사하는 분들이든 자신이 반도체 지식이 부족하다고 느끼신다면 강추하는 책입니다.
공부내용
프롤로그
- 대한민국 경제의 1/4은 반도체가 책임지고 있다
1장
도체, 부도체, 반도체
- 도체 = 전기가 통하는 물체(구리, 철, 금, 은)
- 부도체 = 전기가 통하지 않는 물체(고무, 플라스틱, 유리)
- 반도체 = 전기가 통하거나 통하지 않게 조절할 수 있는 물질(저마늄, 실리콘)
- 전류 = 전자의 흐름(전기가 통한다 = 전자들이 이동한다)
- 전압 = 전자들을 한 방향으로 밀어주는 힘
- 도체에는 자유전자 有, 부도체에는 자유전자 無
2장
반도체의 원리와 유형
- 공유 결합 = 서로 다른 원자의 최외각 전자끼리 결합하는 것
- 실리콘 원자들 사이에 최외각 전자가 3개 or 5개인 불안정한 상태의 원자를 불순물로 넣어주면 불순물 원자들이 실리콘 원자들과 새롭게 공유결합을 형성하면서 전자가 이동한다
- 불순물을 주입하는 공정 = 도핑(Dopping)
- 도핑에 사용되는 불순물 = 도펀트(Dopant)
- 자유전자는 ( - ) 에서 ( + ) 방향으로 이동하면서 전류를 흐르게 한다
- 전류의 양은 불순물의 양과 비례한다
- N형 반도체는 최외각전자가 5개인 불순물을 사용하고, 하나의 자유전자가 이동한다
- P형 반도체는 최외각전자가 3개인 불순물을 사용하고 하나의 잔여 최외각 전자의 빈자리가 생성되어 주변의 전자가 정공으로 이동한다
- 정류 = 전자가 한 방향으로만 이동할 수 있게 함
- 다이오드 = 정류 기능을 수행하는 소자(P형 반도체와 N형 반도체를 접합시켜 P형에 ( + ) 전압 N형에 ( - ) 전압을 걸어주면 전자가 N에서 P로 이동한다. 전압을 반대로 걸어주면 전류가 흐르지 않는다)
- 트랜지스터 = 증폭과 스위치 기능
3장
반도체 개발의 역사와 발전 방향
- 진공관 → 트랜지스터 → MOFSET
- 직접회로(IC) = 판에 있는 반도체 소자들을 전선으로 연결해 회로로 구성한 제품
- 반도체 산업의 발전 방향 = 더 많은 데이터 처리, 복잡한 연산을 위해 더 많은 트랜지스터를 집적해야 한다
→ 집적 회로의 면적을 넓힌다
→ 동일한 면적에 집적 회로를 수직으로 쌓는다
→ 트랜지스터 크기를 작게 만든다
- 미세공정 = 반도체 소자를 만드는 능력
- 선폭 = 반도체 소자의 크기표현 단위(MOFSET 구조에서 소스와 드레인 사이의 거리)
- 소스와 드레인 사이에 전류가 흐르면 ON, 흐르지 않으면 OFF
4장
컴퓨터가 작동하는 방식
- 시스템 반도체 = 두뇌, 명령을 해석하고 실제 연산을 진행(Ex = CPU)
- CPU = Central Processing Unit
- 메모리 반도체 = 기억 담당
→ RAM(Random Access Memory) = 단기기억
→ ROM(Read Only Memory)
→ 작업속도는 RAM이 ROM보다 훨씬 빠르다
5장
시스템 반도체
- 컴퓨터의 두뇌 역할을 하는 CPU = 제어유닛 + 산술논리 유닛 + 메모리 유닛
- CPU의 성능 = 코어, Thread, Clock, Architecture에 달려있다
→ 코어의 수 = 작업할 사람의 수
→ Thread의 수 = CPU 작업의 최소 단위 = 작업자 손의 개수
→ Clock = 작업의 속도
→ Architecture = 전반적인 작업 구조(업무체계)
- CPU 세계 1위 = 인텔 세계 2위 = AMD
- GPU = 그래픽 데이터 연산 시스템 반도체 = 제어 유닛 + 산술논리 유닛 + 메모리 유닛
- CPU의 직렬성 = 동시에 여러가지 작업 진행 불가 BUT 난이도 있는 연산을 쉽게
→ GPU는 동시에 여러 작업이 가능 BUT 능력치는 낮음(GPU의 병렬성)
→ 일류세프 4명(CPU의 산술논리유닛) vs 알바생 5,000명(GPU의 산술논리유닛)
- GPU 1위 = 엔비디아 / 2위 = AMD / 3위 = 인텔
- AP(Application Processor) = 스마트 폰의 두뇌 역할
→ 컴퓨터 한 대에 들어가는 주요 부품들을 하나의 반도체 칩에 집적해 넣음
- SoC(System On Chip) = 여러 부품들이 하나의 반도체에 통합되어 하나의 시스템을 구성하는 형태
- AP 1위 = 미디어 텍 / 2위 = 퀄컴 / 3위 = 애플
- NPU = AI 알고리즘 탑재 + 대규모 병렬 연산 + 고속 데이터 전송 구조
→ AI 연산에 최적화된 반도체
→ 다수의 GPU가 하나의 칩에 탑재된 구조
- FPGA = 상황에 따라서 산술 논리 유닛을 자유롭게 구성할 수 있는 반도체
→ 코어의 구조를 변경할 수 있다
- 하드웨어 가속 = 소프트웨어를 거치지 않고 하드웨어에서 바로 처리하는 것
- ASIC = 특정 용도용 집적 회로, 특정 기능만 수행하기에 동작속도가 높고 소비전력이 낮지만 범용성은 굉장히 낮다
- FPGA 1위 = AMD / 2위 = 인텔
- CIS = 이미지 센서 → 큰 성장세
- CIS 1위 = 소니 / 2위 = 삼성전자 / 3위 = 옴니비전
- DSP = 디지털 신호 처리 특화 반도체 = ADC + ALU + DAC
→ ADC(Analong To Digital Converter) = 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환
→ DAC(Digital To Analog) = 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환
- PMIC = 각 부품에 필요한 전압을 안정적으로 공급
- MCU = CPU가 하기에는 너무 단순한 기능들을 처리하기 위함, 간단한 업무지만 높은 신뢰성을 요구될 때 사용(Ex. 차량용 반도체)
6장
메모리 반도체
- DRAM(Dynamic RAM) = 동적 RAM = 1T1C 구조(1개의 트랜지스터 + 1개의 커패시터)
→ 커패시터 = 전자를 잠깐 저장하는 역할
→ 전자가 빠져나가지 않게 주기적으로 전자를 채워주는 동적과정이 필요
→ DRR = DRAM의 속도
- DRAM 1위 = 삼성전자 / 2위 = SK 하이닉스
- RAM = 주기억장치 / ROM = 보조기억장치
- ROM = 전원을 끄더라도 데이터가 보존되는 비휘발성 메모리
→ 최근 SSD가 ROM 시장 재편 중
- 플래시 메모리 = 절연체 구조가 전자를 둘러 싸 전자의 소실X BUT 연산속도 느림
- NAND 플래시 메모리 = String(플래시 메모리의 직렬 연결)들을 병렬로 연결한 것, 비휘발성 메모리
→ Data를 읽는 속도는 느리나 기록과 지우기는 빠르다(NOR과 반대)
- ROM의 속도가 느리기 때문에 CPU는 ROM에 있는 데이터를 RAM으로 옮겨 작업한다
- 메모리 장치들의 속도 순서(용량 순서는 반대)
→ 1위 = 레지스터
→ 2위 = 캐시 메모리
→ 3위 = RAM
→ 4위 = ROM
- 재벌 구조에서는 총수가 큰 결정권을 갖기에 단기적으로 큰 적자를 보더라도 미래를 위해 과감하게 투자를 하는 것이 수월하다
- 삼성전자의 경우 1998년 DRAM 시장 1위에 오른 이후 지금까지 단 한 번도 1위 자리를 내준 적이 없다
- 반도체 슈퍼 사이클은 메모리 반도체 시장에만 존재한다
→ 시스템 반도체는 사용처가 정해져 있기에 일종의 선판매 후생산 체계(가격변동성 적음)
→ 메모리 반도체는 DRAM, NAND 플래시 메모리를 대표로 종류가 적고 규격화되어 있어 상호호완이 가능하다. 즉, 선생산 후판매 시스템이다(가격변동성 높음)
- 1비트 = 0 또는 1이 담겨 있는 정보의 최소 단위
- 1바이트 = 8비트
- DRAM은 NAND 플래시 메모리보다 속도가 빠르다. 외부에서 입력한 데이터는 DRAM에 먼저 빠르게 저장되고 그 후 상대적으로 느린 NAND 플래시 메모리에 차례로 저장된다
7장
반도체 산업의 분업체계
- 반도체를 만드는 큰 4 과정
→ 1. 반도체의 설계
→ 2. 웨이퍼에 반도체를 만드는 제조
→ 3. 잘 작동하는 지 테스트 & 완제품으로 패키징
→ 4. 유통 및 판매
- 1 ~ 4단계의 전 과정을 직접 진행하는 회사 = IMD(종합 반도체 기업)
→ 거의 메모리 반도체 기업
- IP기업 = 반도체 설계에 대한 특허를 제공하고 로열티를 받는 기업
→ 대표기업 : ARM
- 팹리스 기업 = 기획(설계)하고 판매하는 역할만 수행하고 나머지(제조, 테스트 등)은 외주 맡김
→ 대표기업 : 애플, 퀄컴, 엔비디아, AMD
→ IP들의 소비전력, 발열량 등을 고려하여 유닛들을 배치, 연결해 최종 설계 도면 제작
- 디자인 하우스 = 팹리스 기업의 설계 도면을 파운드리 기업의 공정에 최적화하는 작업 수행
→ 디자인 하우스와 파운드리 기업은 기밀 정보를 서로 공윻기에 보통 디자인 하우스는 하나의 파운드리 기업과만 일한다
- 파운드리 기업 = 고객(팹리스)이 의뢰한 반도체를 제작해 주는 기업
→ 대표기업 : TSMC, 삼성전자
- OSAT 기업 = 웨이퍼를 칩 단위로 자르고, 칩을 기판에 얹어 전기적으로 연결 & 포장재 씌우기
→ 대표기업 = ASE, 앰코 테크놀러지
- 반도체 소자 = 트랜지스터나 다이오드같은 기초 구성 요소
- 반도체 칩 = 집적 회로 칩 = IC 칩 = 반도체라고 부르는 전자부품을 지칭하는 동일한 용어
8장
반도체 8대 공정
- 반도체 8대 공정 = 웨이퍼 제조 공정 / 산화공정 / 포토공정 / 에칭공정 / 증착 및 이온주입 공정 / 금속 배선 공정 / 테스트 공정 / 패키징 공정
- 주로 실리콘사용 : 흔하고 안정된 구조, 높은 녹는점
- 비정질 : 원자가 어떠한 질서도 없이 있는 상태
- 단결정질 : 원자가 정해진 규칙대로 고르게 배열하고 있는 상태(반도체에서 쓰임)
- 다결정질 : 단결정질 조각들이 서로 뭉쳐있는 상태
- 단결정질 실리콘을 얻기 위해 실리콘 잉곳을 만들고 직경이 균일하지 않은 목, 어깨, 꼬리를 제거한다(트리밍 과정) 이 원통을 얇게 썰어 원판의 형태로 만든다(소잉 과정)
- 소잉 후 엣지 라운딩, 래핑, 에칭, 폴리싱 공정을 통해 표면의 단차를 줄인다
- 산화 = 어떠한 물질이 산소와 화학적으로 반응해 산소 화합물을 만드는 현상
- 실리콘이 산소와 만나면 산화 반응에 의해 이산화규소가 생성됨
- 산화막 = 전류가 올바른 회로로만 흐를 수 있게 반도차 소자 내에서 소재 간 차단벽 역할 수행
- 포토공정 = 웨이퍼에 밑그림(회로도)를 그리는 과정
- 웨이퍼 위에 감광액을 바르면 웨이퍼는 빛을 기록할 수 있는 상태가 된다
- 노광 장비에서 사용하는 빛 = 광원(파장이 짧아야 미세공정 능력이 올라간다)
- 노광 장비로 포토 마스크에 있는 회로도를 웨이퍼에 작은 사이즈로 전사
- 투사노광법 = 포토마스크와 감광층을 코팅한 웨이퍼 사이 공간에 렌즈를 배치하는 방법
→ 빛의 회절과 간섭 영향 줄어듬
- 양성 감광층 = 빛을 맞은 부분이 씻겨나감
- 음성 감광층 = 빛을 맞지 않은 부분이 씻겨나감
- 에칭(식각) 공정 = 필요없는 부분을 제거하는 공정
→ 제거할 물질과 화학 반응을 일으키는 물질인 에첸트를 활용
→ 정확도가 높은, 비등방성 특징을 가진 건식에칭 많이 활용(물리 + 화학적 반응)
- 증착 공정(박막 공정) = 물질을 얇은 필름 형태로 만들어 원하는 위치에 씌우는 것
→ 이물질을 막기 위해 진공상태에서 진행
→ 산화공정만으로는 절연막을 계속 만들기 어려움
→ 박막을 얇게, 전체 면적에 고르고 균일하게 입히는 것이 중요
- CVD = 화학적 증착(재료 → 화학적 반응 → NEW 물질 증착)
→ 낮은 온도, 낮은 압력 = 고품질
- PVD = 물리적 증착(운동, 열, 전기 에너지 사용)
→ 최근 대세 아님
- 이온주입공정 = 도펀트 이온을 웨이퍼에 주입해 P형 혹은 N형 반도체로 만드는 공정
- 금속 배선 공정 = 웨이퍼 위 소자들이 제대로 동작할 수 있도록 연결해 주는 과정
→ 전기단자와 연결 = 콘택트
→ 반도체 소자 사이 연결 = 인터커넥션
- 전공정은 웨이퍼 단위로 공정이 진행되고 후공정은 개별 실리콘 칩 단위로 공정이 진행된다
- 테스트 공정 = 고운, 저온, Burn In, 패키지 후 테스트, 전기 특성 등의 테스트
- 패키징 공정
→ 1. 전기적인 통로연결(실리콘 칩을 메인보드에 연결)
→ 2. 실리콘 칩의 보호
→ 3. 효과적인 열 방출
- 백그라인딩 = 웨이퍼의 두께를 얇게 만들어 준다
- 다이싱 = 웨이퍼를 칩 단위로 잘라낸다
- 본딩 = 실리콘 칩과 패키지 기판 사이에 전기적인 연결 통로를 만든다
- 봉지 = 실리콘 칩을 외부환경으로부터 보호하고 열을 효율적으로 방출하는 포장재 씌우기
- 실장 = 완성된 반도체 칩을 메인보드에 연결
- 최근 반도체 기술의 발전 방향
→ 작은 선폭(포토 공정)
→ 3D 적층(건식에칭, 증착)
→ 고속동작(패키징)
- 세정공정은 제거해야 하는 물질을 단계별로 제거하기 때문에 여러 단계를 거친다
- 반도체 공정에서는 탈이온수(이온을 제거한 물)말 이용한다. 이온이 녹아있는 물이 반도체 표면에 닿으면 전기적 특성을 불안정하게 만들기 때문
9장
반도체 누가 잘 만들까?
- ARM = AP에 활용되는 저전력 산술논리유닛인 코어 설계에 특화된 IP 기업
→ 애플, 퀄컴, 미디어텍 등 대부분의 기업들이 ARM의 IP를 기반으로 AP 설계
- 앰코 = OSAT 기업 2위
→ 반도체 칩 자체의 성능 향상이 물리적인 한계에 다다르면서 OSAT 기업의 중요성이 커지고 있다
10장
주요 국가들의 반도체 주도권 전쟁
- 미국은 반도체 시장의 거의 절반을 차지하고 있다
- 팹이 미국에는 적기 때문에 타국의 파운드리 기업들에게 많은 혜택을 주며 불러오고 있다
- 시스템 반도체 산업이 메모리 반도체 산업보다 규모다 더 크고 향후 성장 가능성도 더 높다
- 중국의 국가 주도 반도체 육성 정책이 계속된다면 대만의 반도체 산업은 계속해서 타격을 입을 수 밖에 없다
- 실리콘 웨이퍼 시장의 50%를 일본이 차지하고 있다
- 원소 반도체 = 한 종류의 원소로 이루어진 반도체 물질
- 화합물 반도체 = 두 종류 이상의 원소로 이뤄진 반도체 물질